【技術分享】汽車輪轂用改性鎂合金鍛造工藝

2020-04-27 21:37:44· 來源：NGA集團作者：郝孟軍，宮濤，代艷霞

以應用于汽車輪轂的改性鎂合金AZ80-0. 5V-0. 1Ti為例，通過模擬計算和試驗的方法，研究了成形溫度、模具工作速度、下模窗口處圓角半徑等工藝參數(shù)對鎂合金輪轂鍛造的影響，并對其結果進行對比分析，獲得了優(yōu)良的鎂合金輪轂鍛造工藝參數(shù)。

以應用于汽車輪轂的改性鎂合金AZ80-0. 5V-0. 1Ti為例，通過模擬計算和試驗的方法，研究了成形溫度、模具工作速度、下模窗口處圓角半徑等工藝參數(shù)對鎂合金輪轂鍛造的影響，并對其結果進行對比分析，獲得了優(yōu)良的鎂合金輪轂鍛造工藝參數(shù)。通過試驗驗證了仿真計算的有效性，其結果表明: 坯料溫度＜370℃時，鍛造鎂合金輪輞處產生開裂，坯料溫度＞390℃時，窗口部位出現(xiàn)裂紋; 模具工作速度為5～7mm·s－1時，鎂合金輪轂鍛造成形質量較好; 下模窗口處圓角半徑為20mm時，鎂合金輪轂質量較好。其方法和思路可為汽車輪轂及相似產品的工藝參數(shù)設計和優(yōu)化提供一定的參考和借鑒。

關鍵詞：鎂合金；鍛造工藝；輪轂模具；坯料溫度；汽車輪轂

鎂合金是金屬結構材料中較輕的金屬，被譽為21世紀的綠色工程結構材料，其質量輕、比強度高、彈性模量低、加工性能優(yōu)、可回收以及具有優(yōu)異的減震性能等特點，目前已被應用在汽車零部件上［1 － 3］。汽車輪轂作為汽車上最重要的部件之一，要求其質量輕，同時其受載復雜，包括行駛過程中的垂直壓力，車輛在起動、制動時動態(tài)扭矩的作用以及車輛在行駛過程中轉彎等動態(tài)載荷［4 － 6］。為此，將鎂合金材料引入汽車輪轂是一可行趨勢。本文以改型鎂合金材料AZ80-0. 5V-0. 1Ti作為研究對象，對其鍛造加工工藝參數(shù)進行了仿真和試驗研究，為鎂合金應用于輪轂的工藝設計提供了參考。

鎂合金汽車輪轂結構及生產特點

輪轂結構

汽車輪轂由輪輻、輪緣、輪輞等構成，作為重要的車輛零部件，其結構設計應滿足功能性、工藝性、安全性、經濟性等要求，并具有一定的剛度、強度及較長的疲勞壽命等［7－8］。圖1為汽車輪轂示意圖。

圖1 鎂合金汽車輪轂

鎂合金輪轂鍛造的特點

鎂合金輪轂主要有鍛造和鑄造兩種生產方式，且兩種方式各有優(yōu)缺點。本文以某型汽車輪轂作為研究對象，其輪轂的三維模型如圖2所示，輪轂包含10個窗口，以及輪輻、輪輞等主要部分，窗口處有一個溝槽與冒口相連。從外觀上看，輪轂結構復雜，本文采用鍛造、配合銑削加工進行生產工藝研究。

圖2 輪轂三維俯視圖

鎂合金輪轂的優(yōu)勢明顯，但是其缺點也比較明顯，主要包括以下幾條：(1) 熔煉過程中鎂合金燒損嚴重，同時易產生金屬夾雜和非金屬夾雜；(2)鎂合金極易氧化，表面防護困難；(3) 深加工性較差；(4) 熔煉過程的環(huán)境污染［9 － 10］。針對以上鍛造缺點，本文選擇優(yōu)良的鎂合金材料，進行相應的工藝研究。

鎂合金輪轂鍛造

改性鎂合金AZ80-0. 5V-0. 1Ti的相關性能

本文研究采用改性鎂合金AZ80-0. 5V-0. 1Ti(其中，A 代表金屬鋁，Z代表金屬鋅，8代表鋁含量為8%，0代表鋅含量小于1%，0. 5V代表釩含量為0. 5%，0. 1Ti代表鈦含量為0. 1%)，其密度約為1. 84 g·cm－3，約為鋁的2/3，是比鋁更輕量化的輕質材料。該鎂合金的彈性模量只有45GPa，在外力作用下可以很好地避免構件應力集中，經壓力鑄造后再加工所得部件的比強度高，且耐腐蝕性較純鎂有大幅提高。目前，影響鎂合金大規(guī)模應用的因素之一就是其耐腐蝕性差，鎂合金AZ80-0. 5V-0. 1Ti基本上消除了該缺點，特別是釩、鈦元素可以有效地控制鎂合金中碳化物的增加，并細化晶粒，提高鎂合金的韌性、沖擊性能和耐磨損性能，能夠在汽車零部件制作上廣泛應用［11 － 12］。

鎂合金鍛造應力模擬分析

本文選用ANSYS軟件，首先對輪轂鍛造過程及鍛造參數(shù)進行仿真模擬，然后根據(jù)仿真結果進行工藝參數(shù)比對。從圖2可以看出，輪轂結構滿足軸對稱結構，為此本文選取對稱部分進行建模。AZ80-0. 5V-0. 1Ti鎂合金仿真的材料模型參數(shù)如表1所示。

表1 AZ80-0. 5V-0. 1Ti鎂合金的相關性能參數(shù)

鎂合金輪轂在鍛造各階段的受力情況、變形過程及規(guī)律是隨著鍛造過程不斷變化的。圖3a為鍛造初期的應力云圖，可以看出：窗口處的應力較大，為主要變形區(qū)域，此區(qū)域窗口( 圖3a中A區(qū)域) 的圓角處是其與輪輞、輪緣的過渡區(qū)域，在鍛造過程中極易產生缺陷; 其余區(qū)域應力值較小，在42MPa以下，遠低于常溫下的材料屈服強度，因此，在鍛造過程中不易產生鍛造缺陷。圖3b為鍛造后期的應力云圖，隨著鍛造上模向下運動，窗口圓角處和輪輻側壁圓角區(qū)域的應力比較集中，輪轂成形后此區(qū)域應力最大，極易產生鍛造缺陷。

圖3 輪轂鍛造過程中的應力分布情況

(a) 鍛造初期(b) 鍛造后期

工藝參數(shù)對鎂合金輪轂鍛造的影響的模擬分析

成形溫度的影響

成形溫度是鎂合金輪轂鍛造的重要參數(shù)之一，因鎂合金的伸長率與溫度有關，溫度升高，鎂合金塑性提高，有利于鎂合金的輪轂鍛造; 但是，溫度過高會導致腐蝕氧化，晶粒粗大，增大變形抗力。模擬工藝參數(shù)設定如下: 下模窗口處圓角半徑為30mm，模具工作速度為6mm·s－1，摩擦系數(shù)為0. 1，成形溫度分別為350，370，390 和410 ℃。仿真結果如圖4所示。

圖4 成形溫度對變形抗力的影響

鍛件變形抗力與成形溫度關系較大，成形溫度的適當增加使得鎂合金的塑性變形能力提高，有利于金屬流動，變形抗力下降。但是，隨成形溫度進一步升高，鎂合金內部氧化，導致塑性降低、變形抗力上升。因此，成形溫度宜選擇在370～390 ℃之間。

模具工作速度對變形抗力的影響

材料的變形速度一般情況下體現(xiàn)在模具的工作速度上，本文在不同的模具工作速度下進行仿真計算。其模擬參數(shù)設定如下: 成形溫度為380℃，摩擦系數(shù)為0. 1，下模窗口處圓角半徑為30mm，模具工作速度分別為5，7和9mm·s－1。仿真結果如圖5所示。

圖5 模具工作速度對變形抗力的影響

模具工作速度的增大，導致變形抗力增加。因此，結合實際生產情況和工作效率，量減小模具工作速度，工作速度宜選擇在5～7mm·s－1之間。

下模窗口處圓角半徑對鎂合金輪轂鍛造的影響

為研究下模窗口( 圖6a中的B區(qū)域) 圓角半徑對鎂合金輪轂鍛造的影響，選擇不同下模窗口處圓角半徑進行仿真計算，結合模型的實際生產加工和重量要求等情況，其模擬模型參數(shù)設定如下：成形溫度為380℃，模具工作速度為6mm·s－1，摩擦系數(shù)為0. 1，下模窗口處圓角半徑分別為12，16和20mm。模擬結果如圖6所示。

圖6 下模窗口處圓角半徑對鎂合金輪轂鍛造的影響(仿真結果)

(a) Ｒ12mm (b) Ｒ16mm (c) Ｒ20mm

從圖6可以看出：下模窗口處圓角半徑為12mm時，圓角處出現(xiàn)嚴重的橫向折疊；圓角半徑為16mm時，折疊現(xiàn)象減少；圓角半徑為20mm時，折疊現(xiàn)象基本消失。這是因為圓角半徑的增大，使得金屬液流動阻力減小，充型順暢，同時減小了此處的應力集中情況。

鎂合金輪轂鍛造試驗

鍛造模具

本文依照模擬試驗結果，結合該型輪轂的實際鍛造生產，設計的鍛造模具如圖7所示。

圖7 鍛造模具裝配示意圖

1. 上模座2. 上模芯3. 上頂料器4. 下模座5. 下模6. 下頂料器7. 模板8. 承壓板9. 連接螺栓

成形溫度對鎂合金輪轂鍛造的影響

進一步對該型輪轂進行鍛造試驗，其試驗成形溫度T在350～ 410℃之間，試驗結果如下：T＜370℃時，塑性變形能力差，輪輞處出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，見圖8a；T＞390℃時，窗口部位出現(xiàn)疊狀的裂紋，見圖8b；T在370～390℃時，鍛件外觀質量較好，沒有開裂或疊狀缺陷，見圖8c。試驗結果與仿真結果基本保持一致。

圖8 成形溫度對鎂合金輪轂鍛造的影響

(a) T＜ 370℃ (b)T ＞ 390℃ (c) 370℃ ＜T＜ 390℃

模具工作速度對鎂合金輪轂鍛造的影響

模具工作速度分別為5，7和9mm·s－1，試驗結果如圖9所示。工作速度為5和7mm·s－1時，質量良好，如圖9a和圖9b所示；工作速度為9mm·s－1時，缺陷出現(xiàn)在窗口區(qū)域，如圖9c所示。試驗結果與仿真結果基本一致。

圖9 模具工作速度對鎂合金輪轂鍛造的影響

(a) 5mm·s－1 (b) 7mm·s－1 (c) 9mm·s－1

下模窗口處圓角半徑對鎂合金輪轂鍛造的影響

從試驗的經濟性和有效性等方面考慮，借鑒仿真分析結果，其下模窗口處圓角半徑分別選擇16和20mm兩種進行試驗。圓角半徑為16mm時，鎂合金輪轂窗口處出現(xiàn)疊裝缺陷，如圖10a所示；圓角半徑增加至20mm時，鎂合金鍛造輪轂窗口處成形良好，沒有出現(xiàn)折疊現(xiàn)象，如圖10b所示。